鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層及制備方法
【專利摘要】一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層及制備方法，屬于表面工程【技術領域】。利用激光束在鈦合金部件表面反應合成TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬復合熔覆層的粉末材料成分設計及粉末、熔覆層的制備工藝。該發(fā)明可使熔覆層與基體結合界面Ti含量連續(xù)變化，并可避免在熔覆層與基體結合界面生成過多脆性相，從而在鈦合金表面制備高結合強度的TiCx/Ti-Zr-Ni-Cu陶瓷-金屬復合熔覆層，通過同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度達3600μm。
【專利說明】鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層及制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于表面工程【技術領域】，特別涉及一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層及制備方法，利用激光熔覆法在鈦合金部件表面反應合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬復合熔覆層的粉末材料和制備工藝。

【背景技術】
[0002]鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于國防與民用領域。但由于鈦合金存在摩擦系數(shù)高、對粘著磨損和微動磨損非常敏感、耐磨性差及高溫抗氧化性差等缺點，制約了其應用范圍。在保持鈦合金原有優(yōu)異性能的條件下，表面涂覆層技術是提高鈦合金表面耐磨性能的重要途徑。
[0003]TiCx顆粒增強金屬基復合材料具有密度低、耐磨性好、良好的導熱與導電性等優(yōu)點，在航空航天、民用制造等領域中有著廣闊的應用前景。目前陶瓷顆粒增強金屬基復合材料的制備方法包括加入陶瓷顆粒和原位反應合成陶瓷顆粒等兩種技術。在激光熔覆法制備陶瓷-金屬復合材料熔覆層的領域，反應合成陶瓷顆粒技術與傳統(tǒng)加入陶瓷顆粒技術相比有如下特點:(I)陶瓷相是從金屬基體中原位形核、長大的熱力學穩(wěn)定相，陶瓷顆粒表面無污染，避免了與基體相容性不良的問題，界面結合強度高。(2)由于激光束光斑較小且能量密度有限，而TiC等陶瓷顆粒的熔點達3200°C，如采用外加陶瓷顆粒法，加入的陶瓷含量不能太高(一般外加陶瓷顆粒的質(zhì)量分數(shù)為5-30% )。采用反應合成法時，陶瓷相在熔覆過程中生成，且為放熱反應(例如T1-C可在< 1000°C時發(fā)生劇烈的放熱反應)；這樣，可利用較小功率激光束，形成高陶瓷相含量的陶瓷-金屬復合熔覆層。
[0004]鈦合金的耐磨性較差，對于在磨損、水蝕、高溫沖蝕環(huán)境下工作的鈦合金材料(如汽輪機末級葉片)，如何提高其表面耐磨性是工程應用中的關鍵問題。如果在鈦合金基體上制備具有冶金結合的高耐磨的陶瓷-金屬復合材料熔覆層，就可使鈦合金部件在滿足輕質(zhì)、高強韌性要求的同時，其表面具有高的耐磨性。
[0005]熱噴涂技術可用于在金屬基體上制備陶瓷-金屬復合涂層，但涂層存在結合強度較低(機械結合、結合強度一般< 50MPa)、涂層厚度一般小于500mm等局限性，涂層結合強度及厚度無法滿足一些嚴酷磨損工況下的耐磨要求。
[0006]激光熔覆技術為當今國內(nèi)外最先進涂覆層制備技術之一，該技術具有高能量密度、稀釋度低、工件熱變形極小等特點。激光熔覆的涂層具有組織致密、無氣孔、無裂縫、與基體冶金結合、成分及厚度均勻等優(yōu)點，這些優(yōu)點是其它表面技術難以具備的。
[0007]目前常用的陶瓷顆粒增強金屬基復合材料體系主要有鎳基、鐵基、鋁基等，如采用上述體系的材料進行激光熔覆，易產(chǎn)生如下問題:(I)在熔覆過程中，被熔覆的N1、Fe、Al在熔覆層與基體結合面處生成硬而脆的金屬間化合物(如T1-Ni系、T1-Fe系、T1-Al系等)，此類金屬間化合物的形成導致界面結合強度大幅度下降；(2)當采用多層熔覆法制備厚的熔覆層時，由于熱應力的反復作用，易導致熔覆層在界面結合處損傷、產(chǎn)生大量裂紋或整體剝落。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種鈦合金表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層及制備方法，利用激光束在鈦合金部件表面反應合成TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬復合熔覆層的粉末材料成分設計及粉末、熔覆層的制備工藝。利用激光束熔覆本發(fā)明所述粉末材料，形成陶瓷-金屬復合材料熔覆層。熔覆層與基體結合界面Ti含量無突變，可避免在熔覆層與基體結合界面生成脆性相，從而實現(xiàn)在激光多層熔覆的條件下，熔覆層不剝落、熔覆層與基體結合強度高。
[0009]本發(fā)明可使熔覆層與基體結合界面Ti含量連續(xù)變化，并可避免在熔覆層與基體結合界面生成過多脆性相，從而在鈦合金表面制備具有冶金結合的TiCx/T1-Zr-N1-Cu陶瓷-金屬復合熔覆層，通過同一面積上的多層搭接熔覆，使熔覆層厚度達3600 μ m。
[0010]本發(fā)明熔覆層的粉末原料的各組份重量百分含量如下:
[0011]石墨C粉(粒度-200+325目，純度> 99.5% ,其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范圍，):2-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu合金粉(粒度-140+325目):余量；其中 T1-Zr-N1-Cu 合金粉末的成分為:N1: 5-15wt.% ；Zr:5-15wt.% ；Cu: 5-10wt.% ；T1:余量。
[0012]粉末原料中各組分作用如下:
[0013]T1-Zr-N1-Cu合金粉末在激光束的作用下熔化(該合金粉末熔點彡1200°C )，部分Ti與C反應生成高硬度的TiCx相，余下未與C反應的Ti與Zr、N1、Cu形成多元復合的T1-Zr-N1-Cu合金，該合金作為熔覆層中的連續(xù)相。在多元復合的T1-Zr-N1-Cu合金中，Zr、N1、Cu的作用是形成T1-Zr-N1-Cu固溶體、金屬間化合物(Ti_N1、T1-Zr, T1-N1-Cu等)。通過固溶強化、金屬間化合物的增強作用，使熔覆后形成的多元復合T1-Zr-N1-Cu合金具有硬度高(800-1000HV)、耐磨性好、抗高溫氧化性能優(yōu)于鈦合金等特性。上述多元復合的T1-Zr-N1-Cu合金與基體鈦合金形成冶金結合，界面結合處強韌性高。
[0014]氣霧化法為制備氧含量低粉末的成熟技術，本發(fā)明采用氣霧化法制備T1-Zr-N1-Cu合金粉末，并利用篩分法將氣霧化法制備的粉末進行粒度篩分，篩分后用于激光熔覆的粒度范圍為-140+325目。對成品T1-Zr-N1-Cu合金粉末所含雜質(zhì)的要求如下:0:^ 0.2wt.% ；Si 0.3wt.% ；Mn 0.3wt.% ；P 0.045wt.% ；S 0.05wt.%。
[0015]熔覆層的制備工藝如下:
[0016]1、制備混合粉末
[0017](I)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10wt.% ;T1-Zr-Ni_Cu 合金粉:余量；
[0018](2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120-150°C，干燥時間為2_4小時；
[0019](3)利用混料機進行混料，混料時間2-4小時；
[0020](4)將均勻混和后的混合粉末裝入塑料桶密封儲存。
[0021]2、制備熔覆層
[0022]本發(fā)明的技術可用于在厚度> 4mm的鈦合金部件表面制備熔覆層，鈦合金部件主要包括平板類、圓管類外表面、葉片類等。
[0023]制備熔覆層的工藝步驟為:
[0024](I)利用酸洗方法對鈦合金部件的待熔覆表面進行去氧化層處理。
[0025](2)配置預敷層漿料。在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌后形成預敷層漿料，各組分比例為=PVB膠:3-5wt.% ;高純酒精(純度99.5% ):28-40wt.% ;混合粉末:余量。將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置于玻璃容器內(nèi)，用玻璃棒手工攪拌8-20分鐘，形成預敷層漿料。
[0026](3)用毛刷將(2)中漿料涂覆于鈦合金部件表面，預敷層厚度約為800-1200 μ m。
[0027](4)將具有預敷層鈦合金部件在高溫爐中干燥，干燥溫度130-200°C，干燥時間為20-50分鐘。
[0028](5)將干燥后的鈦合金部件安裝在熔覆工作臺上(對于平板型部件，需要加裝防變形鋼板)，利用半導體-光纖耦合輸出激光器或CO2激光器產(chǎn)生的激光束熔覆預敷層，形成具有冶金結合的熔覆層。為防止碳粉與合金粉末在熔覆過程中被氧化，激光熔覆時需在熔覆區(qū)域加氬氣保護。
[0029]激光熔覆工藝為已有成熟技術，制備熔覆層的設備主要由激光器和熔覆工作臺等部分組成。熔覆時激光頭固定不動，利用數(shù)控設備驅(qū)動鈦合金部件作勻速直線、步進或旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)對預敷層的搭接熔覆。
[0030]激光熔覆預敷層后所得熔覆層的平均厚度為400-600 μ m。重復步驟(3) - (5) 1_5次，可得到平均厚度為800-3600 μ m的熔覆層。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點為:利用高能量密度激光束熔化混合粉末，在鈦合金部件表面形成以TiCx為增強相、以T1-Zr-N1-Cu合金為粘結相的陶瓷顆粒增強金屬基耐磨熔覆層，熔覆層與基體達到冶金結合，熔覆層與基體結合界面Ti含量無突變，熔覆層與基體界面結合強度與韌性高，熔覆層表面硬度可達1100-1600HV。本發(fā)明的方法具有制備成本較低、熔覆層耐磨耐壽命長、工藝較簡單等優(yōu)點，可顯著延長鈦合金的耐磨壽命。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為熔覆層與基體結合界面掃描電鏡照片。其中，界面結合區(qū)域1，熔覆層2。
[0033]圖2為熔覆層斷面掃描電鏡照片，圖中黑色顆粒為反應合成的TiCx。
[0034]圖3為熔覆層斷面顯微硬度曲線圖。
[0035]圖4為防變形鋼板結構斷面圖，鈦合金板3，螺桿4，鋼墊圈5，防變形鋼板本體6。

【具體實施方式】
[0036]實施例:在TC4鈦合金板表面制備熔覆層
[0037]1、配制粉末原料
[0038]粉末原料的重量百分數(shù)范圍如下:
[0039]石墨C 粉(粒度-200+325 目，純度彡 99.5% ):4wt.% J1-Zr-N1-Cu 合金粉(粒度-140+325 目):余量；其中 T1-Zr-N1-Cu 合金粉末的成分為:N1:1Owt.% ；Zr:10wt.% ；Cu:8wt.% ；T1:余量。
[0040]2、制備混合粉末
[0041](I)按步驟I所述的各種粉末比例，稱取所需的各種粉末；
[0042](2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為130°C，干燥時間為3小時；
[0043](3)利用HS錐形混料機混合粉末原料，形成混合粉末，混料時間為3小時；
[0044](4)將均勻混和后的混合粉末裝入塑料袋密封儲存。
[0045]3、制備熔覆層
[0046]在尺寸為300 X 300 X 8mm3的鈦合金板上制備平均厚度約為1500 μ m的熔覆層。
[0047]制備熔覆層的工藝步驟為:
[0048](I)利用酸洗方法對TC4鈦合金板表面進行去氧化層處理。
[0049](2)配置預敷層漿料。在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌后形成預敷層漿料，各組分比例為=PVB膠:3wt.%;高純酒精(純度99.5% ):30wt.%;混合粉末:余量。將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置于玻璃容器內(nèi)，用玻璃棒手工攪拌10分鐘，形成預敷層漿料。
[0050](3)用毛刷將⑵中漿料涂覆于TC4鈦合金板表面，預敷層厚度約為1000 μ m。
[0051](4)將具有預敷層TC4鈦合金板置于高溫爐中干燥，干燥溫度150°C，干燥時間為30分鐘。
[0052](5)將干燥后的TC4鈦合金板安裝在防變形鋼板上，防變形鋼板結構斷面如圖4所
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[0053](6)將裝有TC4鈦合金板的防變形鋼板置于熔覆工作臺上，利用半導體-光纖耦合輸出激光器在TC4鈦合金板的表面制備面積為280X 280mm2的耐磨熔覆層。
[0054]制備熔覆層的設備主要由最大輸出功率為1800W的半導體-光纖耦合輸出激光器和熔覆工作臺等部分組成。熔覆時激光頭固定不動，利用數(shù)控設備驅(qū)動熔覆工作臺作勻速直線及步進運動，從而實現(xiàn)對預敷層的搭接熔覆。為防止碳粉與合金粉末在熔覆過程中被氧化，激光熔覆時在熔覆區(qū)域加氬氣保護。
[0055]熔覆時激光器輸出功率為1600W，激光頭與鈦合金板相對運動速度為5mm/s，熔覆預敷層后所得熔覆層的平均厚度為500 μ m。
[0056]重復步驟(3)-(6)2次，得到平均厚度為1500 μ m的熔覆層。
【權利要求】
1.一種在鈦合金部件表面反應合成陶瓷-金屬復合熔覆層，其特征在于，制備該復合熔覆層粉末的各組份重量百分含量如下: 石墨C粉:2-10%，粒度-200+325目，純度彡99.5%，其中，-200+325目表示粉末粒度在325目至200目范圍；T1-Zr-N1-Cu合金粉:余量，粒度-140+325目；其中T1-Zr-N1-Cu合金粉末的成分為:N1:5-15% ；Zr:5-15% ；Cu:5-10% ；T1:余量。
2.—種權利要求1所述的陶瓷-金屬復合熔覆層的制備方法，其特征在于，工藝步驟如下: 制備混合粉末 1)按粉末原料的各組份重量百分含量稱取所需的所需粉末原料，即:石墨C粉:3-10% ；T1-Zr-N1-Cu 合金粉:余量； 2)將粉末原料放入干燥箱中干燥，干燥箱溫度為120-150°C，干燥時間為2-4小時； 3)利用混料機進行混料，混料時間2-4小時； 4)將均勻混和后的混合粉末裝入塑料桶密封儲存。 制備熔覆層 用于在厚度> 4mm的鈦合金部件表面制備熔覆層，鈦合金部件包括平板類、圓管類外表面、葉片類；步驟如下: (1)利用酸洗方法對鈦合金部件的待熔覆表面進行去氧化層處理； (2)配置預敷層漿料:在混合粉末中加入PVB膠、高純酒精，攪拌后形成預敷層漿料，各組分比例為:PVB膠:3-5wt.% ;高純酒精:28-40wt.% ;混合粉末:余量；將所需混合粉末、PVB膠、高純酒精按上述比例置于玻璃容器內(nèi)，用玻璃棒手工攪拌8-20分鐘，形成預敷層漿料； (3)用毛刷將步驟(2)中漿料涂覆于鈦合金部件表面，預敷層厚度為800-1200μπι; (4)將具有預敷層鈦合金部件在高溫爐中干燥，干燥溫度130-200°C，干燥時間為20-50分鐘； (5)將干燥后的鈦合金部件安裝在熔覆工作臺上，利用半導體-光纖耦合輸出激光器或CO2激光器產(chǎn)生的激光束熔覆預敷層，形成具有冶金結合的熔覆層，激光熔覆時需在熔覆區(qū)域加氬氣保護。
【文檔編號】C22C14/00GK104451659SQ201410594894
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月29日 優(yōu)先權日:2014年10月29日
【發(fā)明者】劉宗德, 王永田, 劉姝女 申請人:華北電力大學, 北京華電宏陽科技有限公司